JP2003314248A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
内燃機関の排気浄化装置Info
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Abstract
を検出するセンサのゼロ点とセンサ感度の双方を較正す
ることで、パティキュレートの堆積量を精度良く検出
し、安全かつ確実な再生を可能とする。 【解決手段】 内燃機関の排気管5に設置したDPF2
の下流に設置されるマフラ3を圧力較正用デバイスとし
て用い、三方弁4で圧力導入通路を切換えることによ
り、差圧センサ1でDPF2またはマフラ3の前後差圧
を検出可能とする。ECU8は、排気流量ゼロの時の差
圧センサ1出力を基にゼロ点較正を行うとともに、所定
の運転条件で、マフラ3の前後差圧を基にセンサ感度較
正を行う。算出したセンサ感度に基づいて、DPF2の
前後差圧を較正することで、パティキュレートの捕集状
態を精度よく検出できる。
Description
スに含まれるパティキュレートを捕集するためのパティ
キュレートフィルタを備える排気浄化装置に関し、詳し
くは、パティキュレート堆積量を高精度に検出して、パ
ティキュレートフィルタの再生を適切な時期に行うこと
ができる排気浄化装置に関する。
ジンから排出されるパティキュレート(粒子状物質)を
低減するための装置が種々提案されている。その代表的
なものに、ディーゼルパティキュレートフィルタ(以下
DPFと称する)があり、排気管内に設置したDPFの
多孔質の隔壁を排出ガスが通過する際に、パティキュレ
ートを捕集するように構成されている。パティキュレー
トは、そのまま堆積すると圧損が増大し、排気抵抗が増
大して機関性能が低下することから、適正な時期に燃焼
させて、DPFを再生する必要がある。再生は、例え
ば、バーナやヒータ等の加熱手段を用いたり、ポスト噴
射や吸気を絞って排気温度を上昇させて、DPFをパテ
ィキュレートが燃焼可能な温度まで昇温することにより
行われる。
行うことが重要で、DPFにパティキュレートが過剰に
堆積すると、機関性能が低下するだけでなく、パティキ
ュレートが再生時に急激に燃焼する。図7に示すよう
に、パティキュレート燃焼量(PM燃焼量)が増加する
ほどDPF内温度が上昇するので、DPF内温度が過度
に上昇してDPFが劣化するおそれがある。一方、DP
Fの過昇温を防止するために、再生頻度を多くして、D
PFにパティキュレートが過剰に堆積しないようにする
こともできるが、例えば、DPFの再生にポスト噴射を
用いる場合には、DPF昇温のために燃料を供給してい
ることから、再生頻度が多くなるほど、燃料消費量が大
きくなる不具合がある(図8参照)。
術として、例えば、特開2001−263043には、
DPFの上流と下流の差圧を検出する差圧センサを設け
ることが記載されている。パティキュレートの堆積量が
増加すると、DPF前後の差圧が増加するので、検出さ
れた差圧から堆積したパティキュレートの量を算出する
ことができる。そして、その量が所定量を越えた時にバ
ーナやヒータ等を用いてDPFを加熱することにより、
パティキュレートを燃焼させている。
ンサは個体ごとにゼロ点とセンサ感度の双方にバラツキ
があり、また経時変化による誤差も生じる(図10参
照)。そのため、差圧からパティキュレートの堆積量を
検出する際に十分な精度を確保することが難しかった。
このため、差圧センサの検出値を補正し、精度良くパテ
ィキュレートの堆積量を検出することが要求されてい
る。
排気浄化装置において、差圧を検出するセンサのゼロ点
とセンサ感度の双方を較正することで、パティキュレー
トの堆積量を精度良く検出し、安全かつ確実な再生を可
能とすることにある。
に、請求項1の内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の
排気管内に設置されて排気中のパティキュレートを捕集
するパティキュレートフィルタと、上記排気管内の上記
パティキュレートフィルタの下流側に設置される圧力較
正用デバイスと、上記パティキュレートフィルタ側の圧
力導入通路および上記圧力較正用デバイス側の圧力導入
通路から導入される圧力を検出する圧力検出手段と、上
記圧力導入通路と上記圧力検出手段との連通を切換え
て、上記圧力検出手段へ導入される圧力を、上記パティ
キュレートフィルタ側または上記圧力較正用デバイス側
に選択的に切換える検出圧力切換え手段と、上記検出圧
力切換え手段の動作を制御するとともに、上記圧力検出
手段の出力からパティキュレートの捕集状態を検出する
捕集状態検出手段とを備えている。
排気流量を検出する排気流量検出手段と、上記圧力検出
手段の出力を較正する圧力較正手段を有している。上記
圧力較正手段は、上記排気流量検出手段で検出した排気
流量を基に、上記検出圧力切換え手段を動作させて上記
圧力導入通路を切換え、上記圧力検出手段で検出した上
記圧力較正用デバイス側の圧力値に基づいて、上記圧力
検出手段で検出した上記パティキュレートフィルタ側の
圧力値の較正を行う。
積せず、排気流量と差圧の関係が既知である上記圧力較
正用デバイス側の検出圧力を基に、上記パティキュレー
トフィルタ側の検出圧力を較正するので、圧力検出手段
の誤差をなくし、検出精度を大幅に向上することができ
る。また、上記検出圧力切換え手段を用いて、上記圧力
検出手段に導入される圧力を上記パティキュレートフィ
ルタ側または上記圧力較正用デバイス側に容易に切換え
ることができるので、上記圧力較正用デバイス側の圧力
を検出するための手段を別途設ける必要がない。よっ
て、簡易な構成で、精度よくパティキュレートの捕集状
態を検出して、DPFの再生時期を適切に設定すること
ができる。
段としては、上記パティキュレートフィルタおよび上記
圧力較正用デバイスの前後差圧を検出する差圧検出手段
を用いることができる。
圧力検出手段を、上記記パティキュレートフィルタおよ
び上記圧力較正用デバイスの上流圧力を検出する圧力検
出手段としてもよい。
段は、上記圧力検出手段が通常時は上記パティキュレー
トフィルタ側の圧力を検出し、上記排気流量検出手段で
検出した排気流量が所定値を越えた場合に一時的に上記
圧力較正用デバイス側の圧力を検出するように、上記検
出圧力切換え手段を動作させるものとする。排気流量が
少ないと、パティキュレートの堆積量変化に対する差圧
変化が小さく、誤差が大きくなるため、排気流量が所定
値より大きい場合において、本発明による検出圧力の較
正を行うことで、パティキュレートの捕集状態をより精
度よく検出することが可能になる。
イスを消音器とする。消音器を利用することで、圧力較
正用の新たなデバイスを設ける必要がなく、構成を簡易
にできる。
は、上記排気流量検出手段で検出した排気流量が0であ
る時に上記圧力検出手段の出力が0となるように、上記
圧力検出手段の出力を較正するものとする。
は0になるので、この時の上記圧力検出手段の出力から
随時ゼロ点を較正することで、個々の差圧センサのバラ
ツキや、経時変化により生じる検出誤差を低減し、十分
な検出精度を長期に渡り確保することができる。
を図1に基づいて説明する。図1はディーゼルエンジン
の排気浄化装置の全体構成を示すもので、排気管5内に
は、マフラ(消音器)3の上流側に、ディーゼルパティ
キュレートフィルタ2(DPF)が設置されている。D
PF2は公知の構成で、例えば、コーディエライト等の
耐熱性セラミックスをハニカム構造に成形して、多孔性
の隔壁で区画された多数のセルの入口または出口を互い
違いに目封じしてなる。エンジンからの排出ガスは、入
口側が開口しているセルからDPF2内に入り、多孔性
の隔壁を通過する際にパティキュレートが捕集される。
するマフラ3を通過し、大気中に放出される。マフラ3
には、パティキュレートが捕集された後の排出ガスが流
入するため、パティキュレートが堆積することはなく、
排気流量と前後差圧の関係が常に既知である。そのた
め、本実施の形態では、このマフラ3を、DPF2の圧
力較正用デバイスとして使用し、所定の条件で検出した
マフラ3の前後差圧を基に、DPF2の前後差圧の検出
値を較正して、パティキュレート堆積量を算出する。
出手段である差圧センサ1で検出する。差圧センサ1の
一端側には、DPF2とマフラ3の間の排気管5bが、
圧力導入通路としての圧力取込管61を介して接続され
ており、差圧センサ1の他端側には、圧力導入通路とし
ての圧力取込管62を介して検出圧力切換え手段である
三方弁4が接続されている。三方弁4は、圧力導入通路
としての圧力取込管71を介してDPF2の上流の排気
管5aに、また、圧力導入通路としての圧力取込管72
を介してマフラ3の下流の排気管5cに、それぞれ接続
している。
駆動されて、圧力取込管62を、圧力取込管71および
圧力取込管72のいずれか一方に選択的に連通させる構
成となっている。差圧センサ1の一端側には、排気管5
b内の圧力が常に導入されるので、例えば、三方弁4を
DPF2に連通する圧力取込管71側に切換えることに
よって、DPF2の前後差圧を、マフラ3に連通する圧
力取込管72側に切換えることによって、マフラ3の前
後差圧を差圧センサ1で検出することができる。
となるECU8に送られ、ECU8は、マフラ3の前後
差圧に基づくDPF2の前後差圧の較正や、パティキュ
レートの堆積量の算出等の演算を行う。パティキュレー
ト堆積量に対する、DPF2の前後差圧とDPF2を通
過する排気流量との関係を図2に示す。図2のように、
ある排気流量に対して、パティキュレート堆積量の増加
に伴い差圧が増加することから、この関係を利用してパ
ティキュレート堆積量を算出することができる。ただ
し、パティキュレート堆積量が同一(多または少)であ
っても、排気流量によって差圧が変動するため、DPF
2の前後差圧からのみではパティキュレート堆積量を正
確に検出することができない。特に、排気流量が多くな
ると排気流量変化に対する差圧変化が増大する傾向にあ
る。
信号により排気流量を算出する排気流量検出手段と、排
気流量が所定値を越えた場合に、三方弁4を切換えて、
マフラ3の前後差圧を検出し、これを基にセンサ出力値
の較正を行う圧力較正手段を有している。マフラ3はD
PF2の下流に位置するため、パティキュレートは堆積
せず、排気流量と差圧の関係が常に既知である。よっ
て、ある排気流量に対する差圧センサ1の出力値から、
センサ感度を知り、DPF2の前後差圧検出時の出力を
較正することができる。圧力較正手段は、また、差圧ゼ
ロの時の差圧センサ1の出力(ゼロ点)の較正を行い、
排気流量がゼロとなる状態を排気流量検出手段で検出
し、その時の差圧センサ1出力からゼロ点を較正する。
このECU8の作動の一例を図3に示すフローチャート
を用いて説明する。
止直後といった排気流量がゼロとなる状態の差圧センサ
1出力からゼロ点を較正する。図3(a)はゼロ点較正
処理のフローチャートで、ECU8において所定の周期
で実行される。図3(a)において、ゼロ点較正処理が
スタートすると、ステップ100で、エンジンのIG
(イグニッション)スイッチがON直前またはOFF直
後であるか否かを判別し、IGスイッチがON直前また
はOFF直後でなければ、直ちに本処理を終了する。I
GスイッチがON直前またはOFF直後であれば、ステ
ップ101に進み、差圧センサ1の出力Pout (kP
a)を読み込む。三方弁4は、通常時には、圧力取込管
62と圧力取込管71を連通させてDPF2の前後差圧
を検出するように通路を切換えているので、差圧センサ
1は、排気流量ゼロの時のDPF2の前後差圧を検出す
ることになる。次に、ステップ102で、差圧センサ1
ゼロ点Po (kPa)を排気流量ゼロの時の差圧センサ
1出力Pout とし、ECU8内のメモリに記録する。図
4の排気流量−差圧特性において、点線は、差圧センサ
1の出力、実線は差圧真値である。
ーチャートで、ECU8において所定の周期で実行され
る。図3(b)のセンサ感度較正処理がスタートする
と、まず、ステップ103で排気流量Vexを算出する。
排気流量Vexは、吸気量ga(g/sec )を、排気温度
Tex(℃)、差圧P(kPa)を用いて、体積流量に換
算することにより求められ、具体的には、下記式(1)
からDPF2・マフラ3を流れる排気流量Vex(L/mi
n )を算出することができる。この時の差圧P(kP
a)には、前回のセンサ感度較正処理時に較正された差
圧P(kPa)を用いる。 Vex=60×22.4×(ga/28.8)×{101.3/(101.3+ P)}×{(273+Tex)/273}・・・(1)
Vexを基に、差圧センサ1の感度較正を実行するか否か
を判断する。具体的には、排気流量Vex>所定値(例え
ば、500L/min )であり、かつ排気流量Vex変動量
<所定値(例えば、50(L/min )/sec )の時に感
度較正を実行するものとする。これは、排気流量Vexが
所定値以下、または排気流量Vex変動量が所定値以上で
あると、本処理による較正の精度を十分高くすることが
難しいためで、上記条件を満足する場合のみ、ステップ
105へ進んでそれ以降の較正処理を実行することで、
検出精度をより高めることができる。なお、上記所定値
は一例であり、適宜変更することができる。上記条件を
満足しない場合は、ステップ111へ進む。
5で、差圧センサ1でマフラ3の前後差圧を検出するた
めに、3方弁4を、圧力取込管62と圧力取込管72が
連通するように切り換える。ステップ106で、差圧セ
ンサ1出力Pout (kPa)を読み込み、次いで、ステ
ップ107で、上記ステップ103で算出した排気流量
Vex(L/min )に対応する既知のマフラ前後差圧Pm
(kPa)を算出する。次に、ステップ108で、差圧
センサ1出力Pout (kPa)と、マフラ前後差圧Pm
(kPa)から、差圧センサ1感度Aを算出する。図5
に示すように、排気流量Vex(L/min )が既知であれ
ば、これに対応する既知のマフラ前後差圧Pm(kP
a)と差圧センサ1出力Pout (kPa)を基に差圧セ
ンサ1感度Aを知ることができる。具体的には、下記式
(2)に基づいて差圧センサ1感度Aを算出し、この算
出した差圧センサ1感度Aを、ECU8内のメモリに記
録する。 差圧センサ1感度A=Pm/Pout ・・・(2)
差圧センサ1がDPF2の前後差圧を検出するように切
り換える。ステップ110で、差圧センサ1出力Pout
(kPa)を読み込み、ステップ111で、差圧センサ
1出力Pout (kPa)を、上記ステップ102で記録
した差圧センサ1ゼロ点Po (kPa)、ステップ10
8で記録した差圧センサ1感度Aを用いて較正する。具
体的には、下記式(3)に基づいて較正後差圧Pを算出
し、ECU8内のメモリに記録する。 較正後差圧P=感度A×Pout −Po ・・・(3)
ともに、マフラ3前後差圧を基に差圧センサ感度較正処
理を行うことで、DPF2の差圧Pを精度よく検出する
ことができる。ECU8は、さらに、この較正後差圧P
を基に、予め記録してあるマップから、パティキュレー
トの堆積量を算出する。そして、パティキュレートの堆
積量が所定量に達した時に再生信号を出力することで、
適正な時期にDPF再生を行うことができ、安全かつ確
実なDPF再生が可能になる。
本実施の形態では、圧力検出手段となる差圧センサ1の
役割を圧力計11で代替しており、DPF2またはマフ
ラ3の前後差圧を検出する代わりに、DPF2またはマ
フラ3の上流の圧力を検出する。圧力計11には圧力導
入通路となる圧力取り込み管63を介して、検出圧力切
換え手段である切換え弁41が接続されている。切換え
弁41には、DPF2の上流の排気管5a、マフラ3の
上流の排気管5bが、それぞれ圧力導入通路となる圧力
取り込み管73、74を介して接続されている。この構
成においても、圧力計11の出力を基に、ECU8で、
ゼロ点較正処理およびセンサ感度較正処理を行って、パ
ティキュレートの捕集状態を精度よく検出することがで
きる。そのフローチャートを図9に示す。
ートで、ECU8において所定の周期で実行される。図
9(a)において、ゼロ点較正処理がスタートすると、
ステップ200で、エンジンのIG(イグニッション)
スイッチがON直前またはOFF直後であるか否かを判
別し、IGスイッチがON直前またはOFF直後でなけ
れば、本処理を終了する。IGスイッチがON直前また
はOFF直後であれば、ステップ201に進み、大気圧
Patm (kPa)を読み込む。次に、ステップ202
で、圧力計11ゼロ点Po (kPa)を大気圧Patm
(kPa)とし、ECU8内のメモリに記録する。
ーチャートで、ECU8において所定の周期で実行され
る。図9(b)のセンサ感度較正処理がスタートする
と、まず、ステップ203で排気流量Vexを算出する。
排気流量Vexは、吸気量ga(g/sec )を、排気温度
Tex(℃)、前回の処理で算出した較正後差圧P(kP
a)を用いて、下記式(1)からDPF2・マフラ3を
流れる排気流量Vex(L/min )を算出する。 Vex=60×22.4×(ga/28.8)×{101.3/(101.3+ P)}×{(273+Tex)/273}・・・(1)
Vexを基に、感度較正を実行するか否かを判断する。具
体的には、排気流量Vex>所定値(例えば、500L/
min)であり、かつ排気流量Vex変動量<所定値(例え
ば、50(L/min )/sec)の時に感度較正を実行す
るものとする。上記条件を満足しない場合は、ステップ
111へ進む。感度較正を実行する場合は、ステップ2
05で、圧力計11でマフラ3の上流圧力を検出するた
めに、切換え弁41を、圧力取込管63と圧力取込管7
4が連通するように切り換える。ステップ206で、算
出した排気流量Vex(L/min )に対応する既知のマフ
ラ前後差圧Pm(kPa)を算出する。
t (kPa)を、マフラ3の上流圧力Pa(kPa)、
既知である排気流量Vex(L/min )から算出したマフ
ラ前後差圧Pm(kPa)、大気圧Patm から、下記式
(4)に基づいて算出する。 Pout =Pa−Pm−Patm ・・・(4) 次いで、ステップ208で、較正前の前後差圧Pout
(kPa)と、既知のマフラ前後差圧Pm(kPa)か
ら、下記式(5)に基づいて圧力計11感度Aを算出
し、ECU8内のメモリに記録する。 圧力計11感度A=Pm/Pout ・・・(5)
を、圧力計11がDPF2上流圧力を検出するように切
り換える。ステップ210で、圧力計11出力Pa(k
Pa)を読み込み、較正前の前後差圧Pout (kPa)
を算出する。さらに、ステップ211で、較正前の前後
差圧Pout (kPa)を、上記ステップ202で記録し
た圧力計11ゼロ点Po (kPa)、ステップ208で
記録した圧力計11感度Aを用いて、下記式(6)に基
づいて較正し、較正後差圧PとしてECU8内のメモリ
に記録する。 較正後差圧P=感度A×Pout −Po ・・・(6)
を行うとともに、センサ感度較正処理を行うことで、D
PF2の差圧Pを精度よく検出し、適正な時期にDPF
再生を安全かつ確実に行うことができる。
排気浄化装置の全体概略構成図である。
差圧の関係を示す図である。
チャート、(b)は差圧センサ感度較正処理のフローチ
ャートを示す図である。
を示す図である。
関係を示す図である。
排気浄化装置の全体概略構成図である。
を示す図である。
を示す図である。
チャート、(b)はセンサ感度較正処理のフローチャー
トを示す図である。
の誤差を示す図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 内燃機関の排気管内に設置されて排気中
のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィル
タと、 上記排気管内の上記パティキュレートフィルタの下流側
に設置される圧力較正用デバイスと、 上記パティキュレートフィルタ側の圧力導入通路および
上記圧力較正用デバイス側の圧力導入通路から導入され
る圧力を検出する圧力検出手段と、 上記圧力導入通路と上記圧力検出手段との連通を切換え
て、上記圧力検出手段へ導入される圧力を、上記パティ
キュレートフィルタ側または上記圧力較正用デバイス側
に選択的に切換える検出圧力切換え手段と、 上記検出圧力切換え手段の動作を制御するとともに、上
記圧力検出手段の出力からパティキュレートの捕集状態
を検出する捕集状態検出手段とを備え、 上記捕集状態検出手段が、上記排気管内の排気流量を検
出する排気流量検出手段と、上記圧力検出手段の出力を
較正する圧力較正手段を有しており、 上記圧力較正手段は、上記排気流量検出手段で検出した
排気流量を基に、上記検出圧力切換え手段を動作させ
て、上記圧力導入通路を切換えるとともに、上記圧力検
出手段で検出した上記圧力較正用デバイス側の圧力値に
基づいて、上記圧力検出手段で検出した上記パティキュ
レートフィルタ側の圧力値の較正を行うことを特徴とす
る内燃機関の排気浄化装置。 - 【請求項2】 上記圧力検出手段が、上記パティキュレ
ートフィルタおよび上記圧力較正用デバイスの前後差圧
を検出する差圧検出手段である請求項1記載の内燃機関
の排気浄化装置。 - 【請求項3】 上記圧力検出手段が、上記記パティキュ
レートフィルタおよび上記圧力較正用デバイスの上流圧
力を検出する圧力検出手段である請求項1記載の内燃機
関の排気浄化装置。 - 【請求項4】 上記圧力較正手段は、上記圧力検出手段
が通常時は上記パティキュレートフィルタ側の圧力を検
出し、上記排気流量検出手段で検出した排気流量が所定
値を越えた場合に一時的に上記圧力較正用デバイス側の
圧力を検出するように、上記検出圧力切換え手段を動作
させる請求項1ないし3のいずれか記載の内燃機関の排
気浄化装置。 - 【請求項5】 上記圧力較正用デバイスが、消音器であ
る請求項1ないし4のいずれか記載の内燃機関の排気浄
化装置。 - 【請求項6】 上記圧力較正手段は、上記排気流量検出
手段で検出した排気流量が0である時に上記圧力検出手
段の出力が0となるように、上記圧力検出手段の出力を
較正する請求項1ないし5のいずれか記載の内燃機関の
排気浄化装置。
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